基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)并行采集及監(jiān)測

劉偉玲，閆子琪

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

1 引言

現(xiàn)今化石燃料的大量使用，導(dǎo)致嚴(yán)重大氣污染，氣體安全問題受到廣泛關(guān)注，實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體數(shù)據(jù)可為有效預(yù)防大氣污染，為環(huán)境安全管理提供基礎(chǔ)保障[1]。相關(guān)學(xué)者研究了氣體數(shù)據(jù)的采集方法，張旭[2]等人為提升日常生活空氣質(zhì)量，針對惡臭氣體污染展開分析，以微流控芯片為核心，氣相色譜為基本原理，在氣體分離單元中涂敷不同極性的固定相進(jìn)行氣體信息判斷，為混合氣體的分離提供有力證據(jù)。于志偉[3]等人以氣體特征為指標(biāo)，在氣體的不同吸收位置下覆蓋檢測點(diǎn)，結(jié)合Lambert-Beer定理并采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)檢測未知?dú)怏w濃度，實(shí)現(xiàn)氣體的檢測。

由于氣體數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，在污染氣體數(shù)據(jù)采集過程中需要多個(gè)傳感器同時(shí)運(yùn)作，由此產(chǎn)生較高能耗，不利于長時(shí)間氣體收集工作。為此，本文設(shè)計(jì)并提出基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)并行采集及監(jiān)測方法。將NI9401采集卡插于CompactRIO上，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，構(gòu)建并行氣路結(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)非等間隔系統(tǒng)的延時(shí)誤差，完成數(shù)據(jù)采樣。在采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法修正輸出監(jiān)測信號，利用主成分分析方法優(yōu)化傳感器使用能耗，實(shí)現(xiàn)低能耗監(jiān)測。仿真結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)提升監(jiān)測效果。

2 方法

2.1 基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)并行采集

利用NI-9401采集卡實(shí)現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換功能，然后將NI9401采集卡再直插在CompactRIO上面，以實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的采集。該模塊主要由多個(gè)不同的部分組成，其中模塊的核心控制部分為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的通信以及匹配。并行式氣路結(jié)構(gòu)和采集模塊的搭建如圖1所示。

圖1 并行氣路結(jié)構(gòu)及CRIO并行采集框圖

在實(shí)際應(yīng)用的過程中，有兩種使用范圍較為廣泛的氣體數(shù)據(jù)采集方式，其中一種方式是將不同傳輸路徑中的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，整合至并行系統(tǒng)中；另外一種方式則是將全部的輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換至并行系統(tǒng)中[4]。以上兩種氣體數(shù)據(jù)采集方式主要具有能夠同時(shí)設(shè)定多個(gè)氣體數(shù)據(jù)采集通道；能夠重復(fù)利用資源這兩方面的優(yōu)勢。兩者雖然具有相同的優(yōu)勢，但是也存在一定的差異性，例如第一種采集方式主要是針對多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它能夠快速完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還能夠?qū)π盘栠M(jìn)行瞬時(shí)分析[5]；而第二種方式則是通過A/D轉(zhuǎn)換于相同的信號傳輸路徑中，以此提升整個(gè)采集系統(tǒng)的采集速度。

不同傳輸路徑中的A/D主要選取相同的采樣控制信號進(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動，不同的傳輸路徑在經(jīng)過A/D經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)的輸出主要是由接口發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)。采用A/D轉(zhuǎn)換會占用一定的時(shí)間，對整個(gè)系統(tǒng)的采集效率也會產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)進(jìn)行高速采集的過程中，需要在各個(gè)傳輸路徑中增加一定容量的存貯器，其中存貯器的大小主要是根據(jù)采集數(shù)據(jù)容量的大小所決定的。

系統(tǒng)中輸入的模擬信號需要同時(shí)加入到M個(gè)通道中，整個(gè)系統(tǒng)主要是由頻率fc進(jìn)行主時(shí)鐘驅(qū)動，各個(gè)通道之間包含Te/M延時(shí)；A/D的輸出經(jīng)過多路開關(guān)進(jìn)行復(fù)合處理后，發(fā)送至貯存器中。在采樣周期開始后，需要啟動對應(yīng)的通道O對輸入信號進(jìn)行采樣以及轉(zhuǎn)換等操作。在經(jīng)過Te/M延時(shí)后，繼續(xù)啟動系統(tǒng)的下一個(gè)通道。以上操作是在設(shè)定的采樣周期內(nèi)經(jīng)過M個(gè)通道實(shí)現(xiàn)M次采樣，促使整個(gè)采集系統(tǒng)的采樣頻率進(jìn)一步得到提升。這種操作方式存在著一定的問題，后續(xù)將針對其不足進(jìn)行進(jìn)一步完善，使其滿足系統(tǒng)的相關(guān)需求。

在多通道并列技術(shù)中，由于各個(gè)通道增益的差異，導(dǎo)致采樣結(jié)果存在一定的差異性，其中第二種采樣方式的誤差較大。第二種操作方式在不同通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將信號轉(zhuǎn)換為同一路輸入信號，在經(jīng)過多道采樣以后，如果各個(gè)通道之間存在誤差，則無法無失真地復(fù)合。還有另外一個(gè)問題則是，由于各個(gè)通道之間存在的延時(shí)，這會導(dǎo)致非采樣間隔的形成。其中外界環(huán)境因素的影響，也會影響系統(tǒng)的綜合性能，在實(shí)際應(yīng)用的過程中需要結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行具體的分析。

由于各個(gè)通道之間存在不一致性，為了使其統(tǒng)一，需要認(rèn)真選取A/D模塊上的相關(guān)器件，同時(shí)結(jié)合相關(guān)硬件補(bǔ)償不同通道之間的差異性。另外，在線路布局方面，需要選取對應(yīng)的防護(hù)措施，具體操作過程如下所示：

設(shè)定原始采樣序列為

S=fc[g(t0)，g(t1)，…，g(tm)，g(tm+1)]

(1)

將原始采樣序列分解成以下M個(gè)通道的子序列，則有

(2)

式中，Sm是對原始采樣信號g(tm)以1/MT的采樣率進(jìn)行等間隔采樣[6]。為了重新組建原始序列，需要在序列各個(gè)采樣點(diǎn)之間加入M-1個(gè)0，則有

(3)

(4)

對數(shù)序列進(jìn)行求和，則能夠獲取以下的計(jì)算式

(5)

(6)

令

rm=(mT-tm)/T=m-tm/T

(7)

將tm代入對應(yīng)的公式中，則能夠獲取以下的計(jì)算式

(8)

結(jié)合上述分析，能夠有效推導(dǎo)出非等間隔采樣信號的數(shù)字譜表達(dá)形式，將等間隔采樣代入對應(yīng)的公式中，能夠滿足相關(guān)公式的簡化處理。

設(shè)定K=0，M，2M，…時(shí)，則能夠?qū)⑸鲜龉礁膶憺橐韵碌男问?/p>

(9)

以式(9)為等間隔采樣信號的數(shù)字譜表達(dá)形式，并且能夠看出對應(yīng)的等幅沖擊脈沖序列。

為了實(shí)現(xiàn)非等間隔系統(tǒng)的延時(shí)誤差校準(zhǔn)，需要在系統(tǒng)中加入正弦信號，則能夠獲取以下計(jì)算式

G(ω)=2πδ(ω-ω0)

(10)

以下給出采樣延時(shí)誤差自動校準(zhǔn)的具體操作過程：

1)設(shè)定對應(yīng)頻率的正弦信號通過系統(tǒng)完成不同采樣點(diǎn)的抽??；

2)將采樣點(diǎn)通過數(shù)據(jù)窗；

3)計(jì)算不同采樣點(diǎn)的DFT；

4)在DFT結(jié)果中抽取和采樣點(diǎn)相對應(yīng)的點(diǎn)，同時(shí)對其進(jìn)行公式變換[8]，則能夠獲取對應(yīng)的取值；

5)在步驟(4)中抽取符合系統(tǒng)需求的相角，同時(shí)完成采樣延時(shí)誤差自動校準(zhǔn)。

至此，實(shí)現(xiàn)大氣污染氣體采樣，為下述氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測提供了可靠依據(jù)。

2.2 基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測方法

氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測主要是對傳輸器陣列的輸出信號進(jìn)行修正處理，分別獲取不同氣體的運(yùn)行狀態(tài)。在信號修正處理中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(Back Propagation)，其基本思想為：以樣本的希望輸出以及實(shí)際輸出之間的平方誤差作為準(zhǔn)則函數(shù)，采用梯度下降方法，從輸出層開始，逐層修正權(quán)系數(shù)使準(zhǔn)則函數(shù)的取值達(dá)到最小。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由三個(gè)部分組成，分別為：輸入層、隱層以及輸出層，其中隱層存在多個(gè)。以下給出整個(gè)算法的具體操作流程：

利用隨機(jī)數(shù)將全部的權(quán)系數(shù)進(jìn)行初始化處理，設(shè)定對應(yīng)步長，l主要統(tǒng)計(jì)迭代次數(shù)，設(shè)定最大迭代次數(shù)的取值為1；首先計(jì)算隱含層j各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出

(11)

oj=f(yi)，j=1，2，…，h

(12)

以下計(jì)算輸出層k各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出信號：

(13)

ok=f(yk)，k=1，2，…，C

(14)

累計(jì)誤差計(jì)算式為

(15)

依據(jù)上述輸出節(jié)點(diǎn)累計(jì)誤差的計(jì)算，對輸出信號進(jìn)行修正[9]，則能夠獲取修正值的計(jì)算式

(16)

式(16)中，ωkj表示隨機(jī)波動系數(shù)。

在上述輸出信號修正的基礎(chǔ)上，引入主成分分析方法，簡化收集到的氣體數(shù)據(jù)，以此進(jìn)一步緩解傳感器的能量消耗。主成分分析方法要求在簡化的過程產(chǎn)生少量損失變量的方差。在進(jìn)行簡化前，方差總和不變，但是新的變量中方差會有一定程度的變化，此時(shí)則需要選取其中占有方差量的一個(gè)或者幾個(gè)成分代替原始變量[10]。

主成分分析方法的主要過程就是特征選擇以及特征提取。以下給出具體的操作過程：

針對已并行采集多個(gè)通道的不同氣體數(shù)據(jù)量，設(shè)定各個(gè)通道的均值為EO[X]，其中協(xié)方差為

Cx=E[X-E[X]](X-E[X]T)

(17)

通過主成分分析方法，能夠獲取氣體數(shù)據(jù)中的主要特征信息，同時(shí)對其進(jìn)行特征提取，以達(dá)到數(shù)據(jù)簡化的目的，即

E[Y]=E(UTX)=UTE[X]

(18)

在數(shù)據(jù)簡化的基礎(chǔ)上，采用主成分分析方法對2.1小節(jié)采集到的氣體進(jìn)行主成分分析，通過分析結(jié)果表明傳感器對氣體反應(yīng)程度以及傳感器陣列之間的相互關(guān)系，選擇兩個(gè)主要傳感器替換原始的5個(gè)傳感器，對不同的氣體變化情況進(jìn)行監(jiān)測，則有

CY=CxE[Y]

(19)

至此，實(shí)現(xiàn)大氣污染氣體監(jiān)測，緩解了多傳感器同時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生較高能耗的問題。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證所提基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)并行采集及監(jiān)測方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真。仿真環(huán)境為：處理器：AMD Athlon64professor3200+，512內(nèi)存，Win XP系統(tǒng)，MATLAB編程軟件。為驗(yàn)證所提方法的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測的性能，將以不同氣體檢測結(jié)果、運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并與惡臭氣體檢測系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)研究(文獻(xiàn)[2]方法)、利用傅里葉紅外光譜技術(shù)檢測惡臭氣檢測(文獻(xiàn)[3]方法)進(jìn)行對比。

1)期望輸出誤差

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，對比文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法，以下將期望輸出誤差作為評價(jià)指標(biāo)，其中誤差越低，則說明監(jiān)測效果越理想；反之則說明監(jiān)測效果并不理想，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的氣體種類檢測結(jié)果

將表1結(jié)果以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算不同方法的檢測期望輸出，得到結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的期望輸出結(jié)果/ppm

分析表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法的期望輸出誤差在三種方法中為最低；文獻(xiàn)[2]方法的誤差次之；文獻(xiàn)[3]方法的延時(shí)誤差最高。而文獻(xiàn)方法的檢測結(jié)果與實(shí)際檢測值結(jié)果差異較大的原因，是在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中不同數(shù)據(jù)采集通道的增益不同，而文獻(xiàn)方法未根據(jù)其增益特征進(jìn)行分類計(jì)算或數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致采集結(jié)果產(chǎn)生誤差。而本文方法根據(jù)各個(gè)通道的增益特性，采用NI-9401采集卡進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，使所有信號都轉(zhuǎn)換為同一路輸入信號，避免數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生差異性，提升了檢測精度。

2)運(yùn)行時(shí)間

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以下選取運(yùn)行時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，其中運(yùn)行時(shí)間越低，則說明運(yùn)行效果越理想；反之，則說明運(yùn)行效果不理想，圖2給出具體的對比結(jié)果。

圖2 不同方法的運(yùn)行時(shí)間變化情況

分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法的運(yùn)行時(shí)間在三種方法中為最低。同實(shí)驗(yàn)二結(jié)果原理類似，本文方法所需時(shí)間開銷少的原因在于，本文采用A/D轉(zhuǎn)換，將所有信號轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一通道信號，減少系統(tǒng)對多通道的檢測開銷，提升檢測效率。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的氣體數(shù)據(jù)并行采集及監(jiān)測方法存在的一系列問題，設(shè)計(jì)并提出基于NI-CompactRIO的氣體數(shù)據(jù)并行采集及監(jiān)測方法。仿真結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)降低延時(shí)誤差，獲取較為理想的監(jiān)測結(jié)果。